如何从零开始实现TDOA技术的 UWB 精确定位系统(4)

这是一个系列文章《如何从零开始实现TDOA技术的 UWB 精确定位系统》第4部分。

重要提示（劝退说明）：

Q：做这个定位系统需要基础么？
A：文章不是写给小白看的，需要有电子技术和软件编程的基础
Q：你的这些硬件/软件是开源的吗？
A：不是开源的。这一系列文章是授人以“渔”，而不是授人以“鱼”。文章中我会介绍怎么实现UWB定位系统，告诉你如何克服难点，但不会直接把PCB的Gerber文件给你去做板子，不会把软件的源代码给你，不会把编译好的固件给你。我不会给你任何直接的结果，我只是告诉你方法。
Q：我个人对UWB定位很兴趣，可不可以做出一个定位系统？
A：如果是有很强的硬件/软件背景，并且有大量的时间，当然可以做得出来。文章就是写给你看的！
Q：我是商业公司，我想把UWB定位系统搞成一个商业产品。
A：当然可以。这文章也是写给你看的。如果你想自己从头构建整个系统，看了我的文章后，只需要画电路打板；构思软件结构再编码。就这样，所有的难点我都会在文中提到，并介绍了解决方法。你不需要招人来做算法研究。如果你想省事省时间，可以直接购买我们的电路图(AD工程文件)，购买我们的软件源代码，然后快速进入生产环节。（网站: https://uwbhome.top）

标签的固件设计

之前的文章，我介绍了定位基站和标签的硬件设计、基站的固件设计(包括时钟同步的算法原理)。按正常的 roadmap，接下来应该是标签的固件设计。但是标签的固件实在是简单，没多少内容可写啊。想了想，还是为它写一篇吧。

标签最重要的功能是定期发送TDOA定位数据包，其他的功能都属于附加的。这个功能实现起来太简单了，decawave提供的样例代码中，很多都可以发送uwb数据包，只是数据包的格式需要符合我们的定义。

我们定义的 UWB TDOA定位数据包的格式是这样：

// Tag测距帧
// 广播帧, Tag 发出的测距消息, 各个 Anchor 根据收到这个帧的时间差来应用 TDOA 测距
typedef struct ieee154_broadcast_tag_range_frame {
	uint8_t frameCtrl[2];			//  0, 2: frame control bytes 00-01: 0x01 (Frame Type 0x01=date), 0xC8 (0xC0=src extended address 64 bits, 0x08=dest address 16 bits)
	uint8_t seq8;				//  2, 1: sequence_number 02
	uint8_t panID[2];			//  3, 2: PAN ID 03-04
	uint8_t destAddr[2];			//  5, 2: 0xFFFF
	uint8_t sourceAddr[8];			//  7, 8: 64Bits EUI地址
	uint8_t	messageType;			// 15, 1: Message Type = RTLS_MSG_TYPE_TAG_RANGE
	uint8_t	seq64[8];			// 16, 8: Tag 发出的测距消息序号, 比 seq8 有更在的最大值
	uint8_t powerVoltage[2];		// 24, 2: 电源电压*1000
	uint8_t batteryVoltage[2];		// 26, 2: 电池电压*1000
	uint8_t lighteness[2];			// 28, 2: 亮度, 直接 ADC 转换过来的值
	uint8_t switchStatus;			// 30, 1: 开关状态
	int16_t imu_aacx;			// 31, 2:
	int16_t imu_aacy;			// 33, 2:
	int16_t imu_aacz;			// 35, 2:
	int32_t imu_roll;			// 37, 4:
	int32_t imu_pitch;			// 41, 4:
	int32_t imu_yaw;			// 45, 4:
	int16_t imu_temp;			// 49, 2:
	uint8_t fcs[2];				// 51, 2
} BROADCAST_TAG_RANGE_MESSAGE;

后来我们发现这个数据包太大了，有很多字段是没有必要的，所以换了一种小的格式：

// Tag测距帧, 最小测距帧
// 广播帧, Tag 发出的测距消息, 各个 Anchor 根据收到这个帧的时间差来应用 TDOA 测距
typedef struct ieee154_broadcast_tag_range_min_frame_v2 {
	uint8_t frameCtrl[2];			//  0, 2: frame control bytes 00-01: 0x01 (Frame Type 0x01=date), 0xC8 (0xC0=src extended address 64 bits, 0x08=dest address 16 bits)
	uint8_t seq8;				//  2, 1: sequence_number 02
	uint8_t panID[2];			//  3, 2: PAN ID 03-04
	uint8_t destAddr[2];			//  5, 2: 0xFFFF
	uint8_t sourceAddr[8];			//  7, 8: 64Bits EUI地址
	uint8_t	messageType;			// 15, 1: Message Type = RTLS_MSG_TYPE_TAG_MIN_RANGE_V2
	uint8_t	seq32_3[3];			// 16, 3: Tag 发出的测距消息序号的高3字节, 与 seq8 组合为 seq32, 比 seq8 有更在的最大值
	uint8_t switchStatus;			// 19, 1: 开关状态
	uint8_t fcs[2];				// 20, we allow space for the CRC as it is logically part of the message. However ScenSor TX calculates and adds these bytes.
} BROADCAST_TAG_RANGE_MIN_MESSAGE_V2;		// 以上合计 22 字节

从53字节减小到22字节。这样，一个定位数据包在发送期间占用频率的时间减小了42%。这意味着可以容纳更多的标签。

你应该注意到，最小化的这个数据包中甚至没有包含电压数据，我们另外定义了一个包含电压数据的定位数据包，隔一段时间定期发送，因为电池电压不会快速变化，几分钟发一个带电压信息的包就可以了。

有客户定制了带心率传感器的标签，我们还增加了一个包含心率、血氧数据的定位数据包。

标签不像基站可以通过网络通讯，标签只能使用USB通讯。USB接口使用HID方式，可以免驱动。不要使用模拟COM口，因为如果使用COM通讯，一方面是需要安装驱动，另一方面是有可能会出现COM冲突，总之多出一些麻烦事。而使用HID方式则简单得多。

USB通讯需要使用外部晶振，不能使用STM32的内置RC振荡器。因为RC振荡器的频率不是很准确，如果使用RC振荡器，可能会导致兼容性问题，在一些电脑上因为频率不准而导致通讯失败。

STM32的省电模式使用 STOP 模式，这个模式比较适中。

要注意STM32的时钟频率。正常情况下，STM32的时钟是72MHz，因为我们不需要那么高的运算能力，所以使用48MHz就可以了，频率低一些可以省电。其他的更低频率不行，因为我们还需要给USB部分提供12MHz的频率，更低的频率组合不出12MHz。

还有就是，这么简单的程序不需要跑OS，直接裸奔就可以了。不跑OS还有两个原因：

1. RTOS的结构复杂，我们还需要进行入STOP状态，这导致程序逻辑会复杂得多。
2. STM32F103CBT6这个芯片的RAM/Flash都比较小，不适合太大的程序。

有什么想法，欢迎给我留言、评论。

这篇就这样吧，只差直接给出源代码了。下一篇开始介绍TDOA算法和定位引擎。

顺便做个找工作的广告。因为经营上的原因，公司散伙了。本人30+年工作经验，C/C++/Java/Delphi有20+年经验，Javascript/Python/Lua会一点。199x年x86汇编写过汉字系统，徒手Delphi写过邮件服务器，写过的应用系统无数，写过的代码应该超过200万行。10+年硬件设计经验，设计过多款嵌入式产品。这个UWB定位系统在初期，硬件软件都是我一个人弄出来的，产品成型之后才增加人手组团队。Base贵阳，或远程。如果有工作机会，请联系我要详细的简历。